叉车门架系统的Top-Down设计研究

1 引言

随着研究设计理论的丰富和发展，传统的设计理念已经难以满足企业不断发展和进步的需要，这些企业迫切需要一个新的产品设计模式，而Top-Down设计方法正是在这种大环境下应运而生，传统的CAD设计主要是依赖于设计人员的经验，对于设计模型的重复修改量也很大，而Top-Down设计引入了骨架模型，是一种白顶向下的设计思想，从整体到局部，可以更容易和直接的传递数据和设计的要求，在不同系统设计过程中，设计师之间可更好的达到协同设计、并行设计的目的，从而大大提高产品的开发效率。

CAD研究的一个热点问题就是研究和开发基于Top-Down设计方法的设计系统，目前己研究和开发出了一些较完善系统，如Pro/Top-Down、WAYT、Delto、GNOSIS、GONGEN等，其中美国PTC公司提出的Pro/Top-Down设计系统可以通过Pro/Layout模块在二维环境下定义产品的装配约束，并将这些约束传递到产品三维装配设计及分析中，并且可以实现整车产品的参数化设计。笔者基于PTC公司最新的Creo软件平台来进行产品的Top-Down设计。

2 产品的Top-Down设计

Top-Down设计是一种白顶向下的设计思想，设计的大致流程如图1所示。

图1 Top-Down设计流程

叉车整车的设计是一个全面而又复杂的过程，涉及到产品的模块化设计，前期必须做好充分的基础IT作，需要花费大量的人力物力对企业和市场进行调研，了解并掌握问题所在，继而总体设计师对产品的结构模块进行细化，把整车划分为若干个子系统，如动力系统、液压系统、门架系统、转向系统等，分管各系统的设计师门通过总体设计师创建的整机和各模块布局、整机骨架、各系统模块的接口信息来开展本系统的模块化Top-Down设计。各子系统设计师在对产品设计的过程中，将遇到的问题反馈给总体设计师，总体设计师根据这些反馈来完善先前的参数设计和整体的布局信息，这样就达到了一个不断相互改进、完善的过程，并最终完成整机的设计。Top-Down设计中部分名词的基本概念及含义如表1所列。

表1 Top-Down设计中部分名词的基本概念及含义

上述表格中骨架的建立使得在叉车门架设计过程中各参数的传递变的更加快速及流畅，为Top-Dowr设计工作奠定了良好的基础。

3 叉车门架系统的设计

叉车门架系统属于叉车中最重要的组成部分之一，是叉车进行装卸作业的直接工作机构，它包括门架、门架液压、挡货架叉架4各模块，如图2所示。

图2 叉车的模块划分简示图

3.1 门架Top-Down设计

叉车门架根据功能的不同可划分为不同的模块，如根据起升高度的不同可分为2m、3m、5m、7m等模块，还可分为普通门架和全自由门架。两节门架是叉车门架的基本型式，它由内门架和外门架组成，内、外门架各有两根立柱，立柱是门架承载的主要构件，又是货叉架或内门架作为升降运动的导轨。在左右两根立柱之间有一联接着的横梁，这样就形成一种封闭形状的框架。

在对叉车门架进行Top-Down设计时，骨架模型是在产品装配模型中新建的，在骨架创建过程中，骨架模型必须包含各个部件的接口信息，如门架和货叉架的安装坐标系、门架铰接轴线、左右倾斜油缸的位置信息、内外门架和槽钢端面等；这些都是门架骨架设计中重要的基准信息。而对于相对独立（即零件与零件之间没有参照关系，对其它系统没有接口关系）的零件在骨架中可以不表示，可单独建立模型。如挡圈、各种滚轮、限位块、销轴、固定夹、标准件等；具体的门架Top-Down设计流程图如图3所示。

图3 门架Top-Down设计流程

明确门架系统的设计思路之后，再对门架的骨架设计建立清晰的流程，叉车门架的骨架模型可以按照以下流程完成：新建门架组件模型→在组件中新建骨架→定义重要基准→关联布局参数→左右立柱→上横梁与铰接的设计→倾斜缸门架铰接→上横梁及附属→中横梁及附属→发布相关几何。门架设计过程中涉及到的输出信息与输入信息如图4所示。

图4 门架设计过程中的输入信息与输出信息接口流程

骨架设计的最后一定要把骨架中与其它系统模块有相关的接口位置信息发布给相对应的系统，如门架中的外门架左右立柱、左右倾斜油缸安装位置、中心缸安装位置左右铰链位置以及外门架横梁、内门架横梁面组都必须发布给门架液压系统骨架：门架中的外门架左右立柱面组合倾斜油缸在门架上面的铰接座面组发布给液压系统。当门架液压系统进行设计时通过门架骨架发布过来的尺寸位置信息来对其进行定位，否则门架液压系统缺失这些重要的接口信息将无法设计下去，特别注意的是骨架中的一些重要基准轴、点、坐标系也必须发布给相关系统。一旦遗漏发布，对其它部门系统的骨架和组件设计工作会带来很多麻烦和不便。

门架骨架设计完成之后，要求实现参数控制，起升缸升起高度控制整个门架的姿态，这时需要通过声明整机的布局文件来把重要的尺寸参数传递到骨架当中，再使用菜单栏中的“关系”命令，点击相应特征后该特征中的尺寸代号都会显示出来，再点击该特征的相应尺寸值进入关系式中通过在“局部参数”栏下右键“插入到关系”将需要的参数调入到关系建立关联关系。具体的关系参数如下：水平地方、倾斜缸车架铰接点宽度、起升缸行程、倾斜油缸车架销轴直径、倾斜缸车架铰接点距桥心垂直距离、倾斜缸车架铰接点距桥心水平距离；以上参数的关联，可使得门架的起升高度得到有效的参数化控制，在对门架进行三维造型时，通过“复制几何”的命令从骨架中复制所需要的模块，这样也达到了门架三维模型的全参数化控制。

3.2 门架液压系统的Top-Down设计

门架液压系统主要是由起升油缸和一些软管、接头等组成的，是控制门架起升的一个重要部分。它根据门架类型的不同划分为不同的液压系统，如二级、三级门架可配二联阀、三联阀或四联阀，门架液压与其对应则可分由两个起升油缸构成的的普通门架液压和在普通门架液压中多加一根中心缸的门架液压。门架液压系统属于非独立的骨架，在对其进行设计之前必须借用整机骨架、门架骨架以及货叉架骨架发布过来的参数位置信息，骨架的大致设计流程为：新建骨架→从整机骨架中复制定位所需的门架安装坐标系→复制由门架和货叉架骨架发布到门架液压系统的几何→包络必要的元件→新建必要的基准。具体的门架液压系统Top-Down设计流程如图5所示。

图5 门架液压系统的Top-Down设计流程

门架液压系统骨架的设计中要求调整门架系统骨架中相关参数，门架液压系统模型再生之后实现姿态变化，液压油缸也要实现随高度变化挠性伸缩。在对其Top-Down设计中，起升油缸的控制一定要参考合理的基准信息，而参数化控制的重点是在管道的设计，绘制管道时在草绘界面中点击“工具”栏中的“d=关系”，选择图6所示尺寸代号并建立关系式，关系式为：“sd1=20+kd6/2”，并在后面输入相关说明“/*内门架起升时软管相对下降高度等于起升油缸起升高度的一半”。设置关系式之后软管圆弧处将会随内门架上升而相对下降，且软管总成长度不变，其它部分依次按照要求设计，这样门架液压系统的Top-Down设计过程就完成了。

图6 门架液压软管的参数化控制

3.3 货叉架和挡货架的Top-Down设计

货叉架又名滑架，它的作用是安装货叉或其它工作属具，并带动货物一起升降。货叉架属于独立设计元件，可以在其它系统设计之前进行设计，具体的货叉架骨架设计流程如下：新建骨架→定义重要的基准（如货叉架安装横向面、宽度控制点货叉架和挡货架安装坐标系等等）→左右导向板→设计上下横梁→设计左右立板→设计加强筋→发布相关几何（货叉架阀块安装搭子的面组以及外框面组）到门架液压系统。

挡货架同样属于独立设计元件，它的骨架设计流程如下：新建骨架→定义重要的基准（如挡货架安装坐标系、内开档尺寸、安装孔位、外形尺寸控制）→左右角钢→上下横梁→中间板。货叉架和挡货架Top-down设计流程如图7所示。

图7 货叉架和挡货架Top-Down设计流程

4 结语

通过Top-Down设计方法和思想在叉车门架系统中的应用，建立了清晰的设计流程，更有效的协调各系统结构之间的设计，提升了各系统设计师之间的交流，这种基于Creo上的白顶向下设计方法也真正达到了全三维的参数化设计。同时Top-Down设计增强了整体与局部的全局观，对整体设计参数的修改和控制也变的更加容易，系统骨架的建立也让相似部件的设计变的更加迅速和快捷。

综上所述，门架系统的Top-Down设计实现了产品的全参数化控制，提升了产品的设计效率和成功率，大大缩短了产品的研发周期。Top-Down的设计思想和方法也值得在企业中得到推广和应用。